Пьезоэлектрический датчик давления (его варианты) Советский патент 1984 года по МПК G01L9/08 

каждого последукянего цилиндра мень- ствующего ше. волнового сопротивления соответ- ра.

внутреннего цилинд

1. Пьезоэлектрический датчик давления, содержащий пьезоэлемент, установленный на одном торце волновода, выполненного в виде стержня постоянного сечения, другой конец которого перемычкой соединен с концом основного цилиндра, внутренний диаметр которого больше диаметра стержня, и скрепленного с набором пустотелых коаксиальных цилиндров, причем волновое сопротивление материала пьезоэлемента согласовано с волновым сопротивлением материала стержня и основного цилиндра, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений импульсных давлений за счет устранения влияния переотражений волн в волноводе на результат измерений, соединение стержня с основным цилиндром выполнено в виде обращенного основанием в сторону пьезоэлемента конуса, по центру при вершине которого имеется коническая выемка, а набор цилиндров размещен по обеим сторонам основного цилиндра с радиальным зазором по отношению к наружной поверхности стержня, причем цилиндЕи жестко соединены друг с другом и с основным цилиндром, а волновое сопротивление материала каждого последующего цилиндра меньше волнового сопротивления соответствующего внутреннего цилиндра. 2.Пьезоэлектрический датчик по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введен .дополнительный волновод в в«де двух конусов с общим основанием,вьтолненных за одно целое, один из которых усеченный, и стакан с коническим отражателем, выполненным на наружной стороне дна, охватывающий набор цилиндров снаружи, причем вершина усе ченного конуса контактирует с дном стакана, а вершина другого - с вершиной конической выемки конуса. § 3.Пьезоэлектрический датчик давления, содержащий пьезоэлемент, установленный на однсм торце волно-. вода,выполненного в виде стержня постояного сечения, другой конед которого перемычкой соединен с концом основного цилиндра, внутренний диаметр которого больше диаметра стержня, и скрепленного с набором пустотелых коаксиальных цилиндров, причем вол00 новое сопротивление материала пьезоэлемента согласовано с волновым сопротивлением материала стержня и основного цилиндра, отличаю щ и и с я тем, что, с целью повы4 шения точности измерений импульсных 00 давлений за счет устранения влияния переотражений волн в волноводе на результат измерений, соединение стержня с основным цилиндром выполнено в виде обращенного вершиной в сторону пьезоэлемента конуса, по центру основания которого имеется коническая выемка, набор цилиндров размещен по обеим сторонам основного цилиндра, а пьезоэлемент со стержнем .вып.олнены со сквозным осевым каналом, при этом цилиндры жестко Ьоединены друг с другом и с основным цилиндром, а волновое сопротивление материала

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения импульсного давления большой длительности и амплитуды, например, в пресспушках при ударе снаряда о жидкость или серии импульсов давлений большой длительности и амплитуды.

Известны пьезоэлектрические датчики давленил, содержащие размещенные в корпусе пьез-оэлемент и акустический волновод, выполненный за одно целое с расширителем с развитой рассеиваюедей поверхностью Cl il.

Такие датчики сложны в изготовлении и имеют низкую точность из-за переотражений волн расширения в волг новоде.

Наиболее близким по технической сущности и достигаеьюму результату к изобретению является пьезоэлектрический датчик давления, содержащий пьезоэлемент, установленный на одном торце волновода, вьшолненного в виде стержня постоянного сечения, другой конец которого перемымкой соединен с концом основного цилиндра, внутренний диаметр которого больше диаметра стержня/ и скрепленного с набором пустотелых коаксиальных цилиндров, причем волновое сопротивление материала пьезоэлемента согласорано с волновым сопротивлением материала стержня и основного цилинд ра Г21.

Недостатком известного устройства, является низкая точность измерения из-запереотражений волн, расширения от. торцевых поверхностей волноводов.Цель изобретения - повьяиение точности измерений импульсных давлений за счет устранения влияния переотражений волн в волноводе на результат измерений. .

Поставленная цель достигается тем, что в пьезоэлектрическом датчике давления (по перв1ому варианту), содержащем, пьезоэлемент, установленный на одном торце волновода, выполненного в виде стержня постоянного сечения, другой конец которого перемычкой соединен с концом основного цилиндра, внутренний диаметр которого больше диаметра стержня, и скрепленного с набором пустотелых коаксиальных цилиндров, причем волновое сопротивление материала пьезоэлемента согласовано с волновым сопротивлением материала стержня и основного цилиндра, соединение стержня с ocHOBHfcOM цилиндром выполнено в виде обращенного основанием в сторону пьезоэлемента конуса, по центр при вершине которого имеется коническая выемка, а набор цилиндров размещен по обеим сторонам основного цилиндра с радиальным зазором по отношению к наружной поверхности стержня, причем цилиндры жестко соединены друг с другом и с основным цилиндром, а волновое сопротивление материала каждого последующего цилиндра меньше волнового сопротивления соответствугацего внутреннего цилиндра.

При этом в него может быть введен дополнительный волновод в виде двух конусов с общим основанием, выполненных за одно целое, один из которых усеченный, и стакан с коническим отражателем, выполненнным на наружной стороне дна, охватывающий набор цилиндров снаружи, причем веряиина усеченного конуса контактирует с дном стакана, а вершина другого - с вершиной конической выемки конуса.

Согласно второму варианту в пьез электрическом датчике давления, содержащем пьезоэлемент, установлен.ный на одном торце волновода, выполненного в виде стержня постоянного сечения, другой конец которого перекычкой соединен с концом основног цилиндра, внутренний диаметр которого больше диаметра стержня, и скрепленного с набором пустотелых коаксиальных цилиндров, причем волновое сопротивление материала пьезоэлемента согласовано с волновым сопротивлением материала стержня и основного цилиндра, соединение стерня с основным цилиндром выполнено в виде обрсвденного вершиной в сторону пьезоэлемента конуса, по центру основания которого имеется коническая выемка, набор цилиндров размеще по обеим сторонам основного цилиндра, а пьезоэлемент со стержнем выполнены со сквозным осевым каналом, при этом цилиндры жестко соединены друг.с другом и с основным цилиндром, а волновое сопротивление материала каждого последующего цилиндра меньше волнового сопротивления

соответствующего внутреннего цилиндра.

На фиг. 1 и 2 схематически представлен датчик, первый вариант; на фиг. 3 - то же, второй вариант исполнения.

Датчик давления состоит из пьезоэлемента 1, стержня 2, о.снрвного цилиндра 3, конуса 4 с конической выемкой с образующей аЪ, набора пустотелых коаксиальных цилиндров 5 стакана б с коническим отражателем 7 и выполненных за одно целое двух конусов 8 с общим основанием, один из которых усеченный.

Устройство работает следующим образом.

При воздействии импульса давлени (фиг. 1) на пьезоэлемент 1 возникает упругая волна сжатия ;(расширения в стержне 2, дойдя до конца которого она отражается от свободной границы аЬ конической выемки. При этом возникают две вЪлны: волна расширения и волна искажения, которые по конусу 4 попадаиот в основной цилинд 3, а затем демпфируются в коаксиальных цилиндрах 5. Волна расширения отражается под углом, равным углу падения, а отражение волны искажения подобно преломлению света, причем коэффициент преломления равен отношению скорости волны расширения к скорости волны искажения, т.е. 2 + Л ///. , где Л и ,0, - константы Ляме. Амплитуда отраженной волны искажения достигает максимума при угле падения около 48° и это максимальное значение больше амплитуды паданвдей волны. Амплитуда отраженно волны расширения достигает минимума при угле падения около 65. Поток энергии волны искажения меньше, чем поток энергии волны расширения при ,гой же амплитуде, поэтому оптимальное значение угла падения волны расширения должно быть близким к 65°, т.е. угол при вершине конической выемки должен быть paBHfcJM 130°. Когда упругая волна любого типа встречает границу раздела двух сред, возникают четыре волны. Две из них преломляются во вторую среду, две упругие отражаются. При каждом таком отражении и преломлении происходит существенное уменьшение потока энерги волны расширения, которая продолжает распространяться с той же скоростью как и в стержне. Амплитуда такой волны будет постепенно затухать . Другие упругие волны будут распространяться с меньшей скорость а их амплитуды в результате дробления будут также уменьшаться. Волновые сопротивления материала каждого последующего цилиндра подобраны меньшими предыдущего, чтобы волна сжатия отражалась волной растяжения

и обеспечивался сдвиг по фазе отраженной и набегакнцей волн, необходимый для их взаимного частичного поглощения при интерференции. Постепенное уменьшение волновых сопротивлений материала при переходе от цилиндра к цилиндру обеспечивает более полное прохождение набегающей волны в последующие цилиндрь, где продолжается процесс ее дробления на четыре волны в местах сочлёния цилиндров. В результате этого все цилиндры включаются в работу, в каждом из них идет процесс затухания части первоначальной волны расширения (сжатия; вследствие интерференции и наличия диссипативных сил в материалам цилиндров.

Допустимая длина стержня 2 выбирается из условия его устойчивости при действии измеряемого импульса давления. Площадь сечения основного цилиндра 3 выбирается из условия равенства осевых моментов инерции стержня 2-й цилиндра 3, т.е. она . будет тем меньше, чем больше будет его диаметр, и ограничивается в пределе поперечной -жесткостью, необходимой для обеспечения посадки с натягом коаксиальных цилиндров 5. Величину диаметрального натяга подбирают такой, чтобы на границах разделов цилиндров не было бы их взаимного отскока при прохождении волны через эти границы, т.е. цилиндры 5 должны работать как одно целое.

Устройство на фиг. 1 может иметь незначительную погрешность измерения импульсов давления вследствие нормального отражения волны расширения (сжатия J от площадки в вершине а конической выемки, обусловленной несовершенством инструмента используемого при выполнении этой выемки Для устранения отражения волнь расширения (сжатия) от этой площадки в сторону пьезоэлемента 1 и повышения точности измерений импульсов давления в устройстве введен дополнительный волновод (.фиг. 21 , выполненный в виде двух конусов 7 с общим основанием, прижатый к площадке в веряиине конической выемки. При этом угол при вершине конуса, прижатого к выемке с{- 90, а при вершине усеченного конуса р 90. Волновое сопротивление материала стакана 6 такое же как и у стержня 2 и цилиндра 3. Дополнительный волновод в виде двух конусов 7 пропускает к прямую волну сжатия со стороны стержня 2 без отражения от границы сочленения, а s обратном направлении волна практически це проходит, так как система углов ot и /3 Образует запираквдий механизм. Если полного гашения измеряемого импульса давления в коаксиальныз цилиндрегх

5 не произошло, то волны из этих цилиндров, пройикая через основание при вершине , в основном попадают на боковую поверхность при вершине конуса d 90° и возвращаются в сторону боковой поверхности конуса с вершиной /9 , которая фокусирует и возвращает их в стакан б. Толрдина дна стакана 6 в месте соединения с.усеченным конусом, дополнительного волновода должна быть не меньше диаметра его основания при вершине flt и не больше диаметра основания при вершине / , так как опасно нагруженной с точкц зрения прочности будет зона под этим основанием, а дальнейшее увеличение толщины к

снижению напряжений не приведет.

Во втором варианте датчика(фиг.3) используется другой способ устранения отражения волны расширения от вершины конической выемки. Здесь пьезоэлемент 1 и стержень 2 выполнены со сквозным осевым отверстием, а основной цилиндр 3 с набором коаксиальных цилиндров 5 развернут на

0 180°. При этом коническая выемка

выполнена на основании конуса 4. Длина стержня 2 выбирается как можно меньшей. По сравнению с первым вариантом датчика (фиг. 1J упрощается

5 изготовление элементов: стержня 2, конуса 4 и основного цилиндра 3.